科學(xué)家創(chuàng )制出無(wú)疲勞鐵電材料?有望實(shí)現存儲器無(wú)限次數擦寫(xiě)
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6月7日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊聯(lián)合電子科技大學(xué)、復旦大學(xué)，在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了題為Developing fatigue-resistant ferroelectrics using interlayer sliding switching的研究文章。該研究基于二維滑移鐵電機制，創(chuàng )制了無(wú)疲勞的鐵電材料，為解決鐵電材料的疲勞問(wèn)題提供了全新途徑。
鐵電材料是常見(jiàn)的功能材料，因晶體正負電荷中心不重合，產(chǎn)生電偶極矩，從而具有自發(fā)電極化的性質(zhì)，并能夠被外場(chǎng)所調控。然而，以商用最廣的鋯鈦酸鉛為代表的傳統鐵電材料在使用過(guò)程中會(huì )發(fā)生鐵電疲勞，即隨著(zhù)極化在外場(chǎng)下翻轉次數的增加，電極化減小，導致性能衰減，最終引發(fā)器件失效故障。在全球范圍內，鐵電疲勞失效是各類(lèi)電子設備發(fā)生故障的主要原因之一。近年來(lái)，利用鐵電材料制備的各類(lèi)器件常被用于在高溫高壓、高頻震動(dòng)、高強磁場(chǎng)、高強輻射等復雜環(huán)境下執行存儲、傳感、驅動(dòng)、能量轉換等關(guān)鍵任務(wù)，但鐵電器件在外場(chǎng)的反復加載下會(huì )逐漸發(fā)生疲勞失效。因此，對鐵電材料的抗疲勞特性進(jìn)行優(yōu)化和設計，是保障設備可靠性的基礎。
鐵電材料的疲勞被認為是帶電荷缺陷所致。鐵電材料的極化翻轉依賴(lài)于鐵電疇界的移動(dòng)。鐵電材料在循環(huán)外場(chǎng)反復加載過(guò)程中，電極化翻轉，帶電缺陷也會(huì )隨著(zhù)移動(dòng)，久而久之缺陷便會(huì )聚集成團簇。缺陷團簇能夠釘扎疇界，使其難以移動(dòng)。一旦疇界被釘扎住，極化便難以翻轉，致使器件疲勞失效。
寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊副研究員何日與研究員鐘志誠，通過(guò)理論計算預言了滑移鐵電材料的抗疲勞特性，并聯(lián)合電子科技大學(xué)教授劉富才團隊、復旦大學(xué)教授李文武團隊，基于滑移鐵電機制，制備出無(wú)疲勞二維層狀滑移鐵電材料。進(jìn)一步，研究通過(guò)AI輔助的跨尺度原子模擬，闡明了這一機制實(shí)現抗鐵電疲勞的微觀(guān)起源。二維滑移鐵電機制與傳統鐵電材料的離子位移機制不同。在電場(chǎng)的作用下，二維材料層與層之間會(huì )產(chǎn)生整體滑移，同時(shí)層間會(huì )發(fā)生電荷轉移，進(jìn)而實(shí)現面外極化翻轉。理論計算發(fā)現，相比于常規鐵電材料，滑移鐵電通過(guò)層間滑移實(shí)現極化翻轉所需電場(chǎng)較小，但如此小的電場(chǎng)不足以使帶電缺陷移動(dòng)。同時(shí)，由于二維材料層狀結構，缺陷難以跨越層間移動(dòng)，因此缺陷不會(huì )聚集，也不會(huì )產(chǎn)生鐵電疲勞。
該研究以雙層MoS2二維材料為代表性材料，采用化學(xué)氣相輸送法制備出雙層MoS2鐵電器件。在百萬(wàn)次循環(huán)電場(chǎng)翻轉極化后，鐵電極化并未發(fā)生衰減，這提示該鐵電器件的抗疲勞性能優(yōu)于傳統離子型鐵電材料。研究發(fā)現，以存儲器為例，使用新型二維滑移鐵電材料制備的鐵電存儲器無(wú)讀寫(xiě)次數限制。因此，無(wú)疲勞的新型二維層狀滑移鐵電材料有望提升設備可靠性，降低維護成本。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等的支持。
常規鐵電材料和二維滑移鐵電材料疲勞特性對比
3R-MoS2鐵電器件的疲勞特性電學(xué)表征
